殷建文 趙桁晨 趙帥 劉金奇

摘 要：本設(shè)計(jì)主要包括采摘裝置和行走裝置兩個部分的設(shè)計(jì)。（1）采摘裝置設(shè)計(jì)。利用顏色識別可完成識別草莓是否成熟，利用機(jī)械手的移動抓取，把草莓從草莓莖上斷開，并運(yùn)到輸送裝置上，把草莓輸送到機(jī)器頂部，完成草莓的采摘。（2）行走裝置設(shè)計(jì)。主要完成整機(jī)的行走功能，通過傳感器實(shí)時監(jiān)測車體與草莓壟之間的距離，來不斷調(diào)節(jié)并保持間距，利用四輪驅(qū)動，可以完成不圖同程度的轉(zhuǎn)彎，節(jié)省轉(zhuǎn)彎的空間，車速可調(diào)節(jié)，以此來配合采摘裝置采摘的速度。本機(jī)器的適用地形為壟側(cè)面垂直地面，且壟間隙地面與壟兩端地面為硬實(shí)土地，工作效率大約為0.30.6 畝/小時。

關(guān)鍵詞：草莓采摘；顏色識別；自動調(diào)距

The Design of Strawberry Picking Machine

Yin Jianwen Zhao Hengchen Zhao Shuai Liu Jinqi

College of Mechanical Engineering& Automation LiaoningJinzhou 121001

Abstract：This design mainly includes the design of two parts： pickers and walking devices. （1） Design of picking device. Whether the use of color recognition to complete recognition of strawberry mature， using the movement of the manipulator grasping， the strawberry disconnect from strawberry stem， and to the conveying device， put the strawberries to the top of the machine， complete picking strawberries. （2） Design of walking devices. Mainly complete the walking function of the machine， through the sensor realtime monitoring body and the distance between the strawberry planting， to continuously adjust and maintain the spacing， use of fourwheel drive， can do not the same degree of turn， turn to save space， the speed can be adjusted， in order to assist picking picking speed.The applicable topography of this machine is the vertical ground of the ridge， and the ground between the ground and the ridge is hard and the work efficiency is about 0.3 to 0.6 mu/h.

Key words： Strawberry picking； color recognition； automatic spacing

草莓采摘機(jī)械化，[1]可以提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)省大量的勞動力，同時減少了大量的生產(chǎn)成本。[2]現(xiàn)在草莓采摘大部分還是以人工采摘為主，造成極大的勞動強(qiáng)度，[3]所以研制一種可代替人工節(jié)省成本的草莓采摘機(jī)是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)行業(yè)中采摘草莓必不可少的。

1 整機(jī)工作原理

草莓采摘機(jī)是由采摘裝置、輸送裝置和行走裝置三大部分構(gòu)成。行走裝置組成機(jī)架部分，完成的功能主要為整機(jī)的前行、轉(zhuǎn)彎和支撐。行走裝置形狀為倒“U”狀，跨一壟而行。行走裝置在前行的過程中，需要與壟側(cè)面保證平行，采用傳感器定位的功能，利如果發(fā)生偏移的情況，兩車輪發(fā)生速度差，完成改變前行方向的功能。采用四輪驅(qū)動使機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)橫向移動，減小壟端距離。采摘裝置主要完成的功能對草莓進(jìn)行采摘，采摘草莓需要的動作為把草莓提起、使機(jī)械手臂靠近草莓、使采摘裝置運(yùn)動至下一處有草莓的地方。整體動作為：整機(jī)運(yùn)行到草莓處，草莓采摘機(jī)械手臂向下運(yùn)動至壟底端，同時向草莓壟側(cè)壁方向移動，運(yùn)行到草莓下端，此時草莓采摘機(jī)械手臂向上提起，把草莓裝入盒中，同時顏色傳感器識別草莓是否成熟，當(dāng)草莓為綠色時，草莓采摘機(jī)械手臂反向運(yùn)動退回，當(dāng)為紅色時，向遠(yuǎn)離草莓壟側(cè)壁方向斜向上運(yùn)動，利用這個角度使草莓的根莖與刀片接觸，果莖分離，之后草莓采摘機(jī)械手臂把草莓運(yùn)送至輸送裝置上方，這時電磁鐵工作，盒底打開，使草莓落入輸送裝置。如圖1所示。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

2.1 采摘裝置

采摘裝置通過固定在采摘裝置的機(jī)架上的電機(jī)1帶動。結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)采摘裝置開始工作時，位于車身上的傳感器識別車身與草莓壟的距離，從而計(jì)算出采摘裝置距離壟的距離，電機(jī)1帶動同步帶輪3轉(zhuǎn)動，通過同步帶2傳動，使絲杠4轉(zhuǎn)動，絲杠4帶動絲杠螺母10平動，進(jìn)而帶動機(jī)械手橫向移動，使機(jī)械手接近草莓直至草莓下端，齒輪15帶動齒條6向上提起，把草莓置于草莓盒14內(nèi)并利用傳感器13識別顏色，為紅色時提起直至把草莓與莖分離，然后齒輪15帶動齒條6使機(jī)械手提起并通過同步帶運(yùn)動把草莓送入輸送帶上，電磁鐵11通電通過鋼絲線12使盒底部打開，草莓落下，為其他顏色則反轉(zhuǎn)運(yùn)動放開草莓。

2.2 行走裝置

行走裝置主要負(fù)責(zé)本機(jī)器的前行和轉(zhuǎn)彎的裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。車體成倒“U”形狀，使得本機(jī)器可以橫跨一條壟，行走裝置為四個驅(qū)動輪1，驅(qū)動輪1分別由步進(jìn)電機(jī)9控制，同時由電機(jī)6控制鏈輪4帶動鏈條5運(yùn)動，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)彎，整個機(jī)器的動力由一個電瓶來提供。行走裝置是這樣實(shí)現(xiàn)功能的：傳感器7時刻檢測與壟之間的距離，在機(jī)器運(yùn)作前會設(shè)定一個車輪與壟之間的固定值，在運(yùn)動時如果傳感器7識別的距離不是固定值時會控制步進(jìn)電機(jī)9運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)9通過帶輪同步帶帶動車輪變速，進(jìn)而調(diào)整車體左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)定好的固定值距壟距離，當(dāng)采摘草莓時車體會停止行走，完成采摘動作，當(dāng)一壟的草莓采摘結(jié)束后，由人工控制機(jī)器完成轉(zhuǎn)彎進(jìn)行下一壟，轉(zhuǎn)向電機(jī)6工作通過鏈條5帶動鏈輪4旋轉(zhuǎn)，使車軸2轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動行走輪1轉(zhuǎn)向90°，使車體橫向運(yùn)動到達(dá)下一壟，之后轉(zhuǎn)向電機(jī)6反轉(zhuǎn)，恢復(fù)直行，壟兩端需要預(yù)留1.5m左右空地。

2.3 輸送裝置

輸送裝置主要完成的功能為主要功能為對采摘好的草莓進(jìn)行運(yùn)輸，使草莓運(yùn)輸?shù)綑C(jī)器頂端，方便人工的挑選與裝盒。

3 機(jī)器調(diào)試及實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)物進(jìn)行調(diào)試，還有對采摘機(jī)械化的合理性與可操作性提出幾項(xiàng)要求，為了保證采摘的空間，經(jīng)實(shí)際情況調(diào)研，給出壟間空隙為400mm，壟寬500mm，為了保證采摘可行性，壟側(cè)面必須垂直地面，且壟間空隙的地面為硬實(shí)土地，保證在壟端轉(zhuǎn)彎的順利，需在壟端預(yù)留1.5m的空間。以下為實(shí)驗(yàn)得出的具體參數(shù)：

（1）作業(yè)效率：0.30.6 畝/小時

（2）適用種植密度：壟距400mm

（3）壟寬：500mm壟高：250mm

（4）采摘壟數(shù)：1 壟

（5）壟側(cè)形狀：垂直地面

（6）壟兩端空隙：1.5m

（7）株高： 300mm

（8）草莓大?。喊霃?015mm

（9）草莓距地：80250mm

調(diào)試后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行了采摘試驗(yàn)。準(zhǔn)備50顆成熟草莓，分為5組，每組10顆，并在各組中隨機(jī)夾雜2～3顆未成熟草莓。試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

由結(jié)果可知其中無損傷采摘是：在導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、末端執(zhí)行器接近目標(biāo)、夾持剪切系統(tǒng)切斷果柄并將目標(biāo)帶離壟側(cè)面的整個過程中，果實(shí)表面未與末端執(zhí)行器的任何部位發(fā)生接觸。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該草莓收獲機(jī)器人采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)在模擬高畦壟作栽培模式下的草莓收獲作業(yè)中，具備無損傷采摘多種姿態(tài)草莓的能力，能夠區(qū)分成熟草莓與未成熟草莓，平均采摘速度為65.6顆/h，采摘成功率可達(dá)90%（90顆草莓中成功采摘45顆）。

4 結(jié)語

該草莓采摘機(jī)可靠性高、操作簡單、性能良好、采摘方便，同時解決了草莓采摘時出現(xiàn)的勞動強(qiáng)度大、采摘不規(guī)范化等一系列問題，填補(bǔ)了市場上草莓采摘機(jī)械化程度低的空白，可以大范圍進(jìn)行使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁麗娟.草莓采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)碩士學(xué)位論文.中國農(nóng)業(yè)學(xué)，2007.5.

[2]曹其新，呂恬生，永田雅輝，等.草莓揀選機(jī)器人的開發(fā)[J].上海交通大學(xué)報(bào)，1999，33（7）：880884.

[3]姜麗萍，陳樹人.果蔬采摘機(jī)器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2006，23（1）：810.

基金項(xiàng)目：遼寧工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

作者簡介：殷建文（1995），男，內(nèi)蒙古興安盟人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。